Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej"

Maria Matuszewska
7 lat temu
Przeglądów:

1 Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 1 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Paweł Kowalczyk, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2015/16

2 Plan 1 Informacje ogólne 2 Przypomnienie z optyki 3 Promieniowanie, absorpcja i emisja światła

3 O czym będzie ten wykład? O oddziaływaniu światła z materia: Absorbcja i emisja światła Rozpraszanie Wzmocnienie światła (laser) Przekaz pędu (chłodzenie atomów) Optyczne badania materii (spektroskopia) Wpływ zewnętrznych pól na energie poziomów atomowych Formuła wykładu: Tablica (wyprowadzenia wybranych praw) + rzutnik (rysunki i wnioski) + pokazy

4 O czym nie będzie ten wykład? O własnościach samego światła: Dyfrakcja Interferencja Spójność Statystyka światła Stany kwantowe światła

5 Co trzeba wiedzieć? Niewiele z zakresu optyki (tyle, ile na kilku kolejnych slajdach) Nieco z zakresu budowy materii: Podstawy mechaniki kwantowej Struktura atomu Podstawy termodynamiki Adres strony wykładu:

6 Polecana literatura W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN, Warszawa 1993 H. Haken, H. C. Wolf, Atomy i kwanty, PWN, Warszawa 1997 J. Ginter, Wstęp do fizyki atomu, czasteczki i ciała stałego, PWN, Warszawa 1979 E. Hecht, Optyka, PWN, Warszawa 2012 J. R. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki, PWN, Warszawa 1979 T. Stacewicz, A. Witowski, J. Ginter, Wstęp do optyki i fizyki ciała stałego, Wydawnictwa UW, Warszawa 2002 A. Hennel, W. Szuszkiewicz, Zadania z fizyki atomu, czasteczki i ciała stałego, PWN, Warszawa 1985 Paweł Kowalczyk, Fizyka czasteczek, PWN, Warszawa 2000 Hermann Haken, Hans C. Wolf, Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej, PWN, Warszawa 1998

7 Zasady zaliczenia kolokwium: (test 10 pytań/10 p-tów + 3 zadania/10 p-tów = 20 p-tów) połowa punktów zalicza ćwiczenia egzamin pisemny: (test 20 pytań/20 p-tów + 4 zadania/20 p-tów = 40 p-tów) na części zadaniowej kartka A4 z notatkami 1 zadanie podobne do zadań domowych (3 serie) egzamin ustny

8 Pole elektryczne i wektor Poyntinga Gęstość energii: u = 1 ) (ɛ 0 E 2 + 1µ0 B 2 2 u = ɛ 0 E 2 0 cos2 (kz ωt) Fala płaska w kierunku z: E (z, t) = E0 cos(kz ωt) x B (z, t) = 1 c E 0 cos(kz ωt)ŷ Strumień energii (wektor Poyntinga): S = 1 µ 0 ( E B ) S = cuẑ

9 Natężenie światła Interesuje nas uśredniona po okresie wartość wektora Poyntinga: u = ɛ 0 E 2 0 cos2 (kz ωt) = 1 2 ɛ 0E 2 0 S = 1 2 cɛ 0E 2 0 ẑ Natężenie światła I: I = 1 2 cɛ 0E 2 0 [ ] W m 2 (uśredniona po okresie moc fali na jednostkę powierzchni)

10 Notacja zespolona Korzystamy ze wzoru Eulera: e iφ = cos φ + i sin φ Dla fali o wektorze falowym k : (Część urojona pomijamy "w pamięci") E = E0 e i( k r ωt) n Tu E 0 może być zespolone, wtedy zawiera informacę o fazie: E 0 = E 0 e iφ 1 B = c E 0e i( k r ωt) ( k n) Natężenie światła: I = 1 2 cɛ 0E0 2 = 1 2 cɛ 0 E 2 E 2

11 Fale płaskie a sferyczne Fale ze źródła punktowego: W trzech wymiarach: [ipodphysics.com] [media.learn.udi.edu] E ( r, t) = E 0 r e i(kr±ωt) I( r ) 1 r 2

12 Polaryzacja światła polaryzacja liniowa polaryzacja kołowa Dowolny stan polaryzacji światła może być uzyskany jako kombinacja liniowa (z odpowiednimi amplitudami i fazami): Dwóch prostopadłych polaryzacji liniowych Dwóch przeciwnych polaryzacji kołowych

13 Polaryzacja światła polaryzacja kołowa polaryzacja eliptyczna Kierunek wektora E nie zależy od położenia w kierunku poprzecznym do kierunku propagacji

14 Polaryzacja eliptyczna Opis polaryzacji eliptycznej

15 "Nieklasyczne" polaryzacje polaryzacja radialna polaryzacja tangencjalna Kierunek wektora E zależy od położenia w wiazce

16 "Nieklasyczne" polaryzacje Wytwarzanie polaryzacji radialnej: [T. Nemoto et al, DOI: / ]

17 "Nieklasyczne" polaryzacje Wiazkę spolaryzowana radialnie (HRP) można ciaśniej zogniskować niż wiazkę o pol. liniowej (LP) (mikroskopia, mikroobróbka laserowa): [T. Nemoto et al, DOI: / ]

18 Prawo promieniowania ciała doskonale czarnego Gestość energii promieniowana będacego w równowadze termicznej z otoczeniem: Klasycznie (prawo Rayleigha-Jeansa): ρ(ν)dν = 8πν2 c 3 kt dν (Działa w podczerwieni, ale "katastrofa w nadfiolecie") Kwantowo (prawo Plancka) ρ(ν)dν = 8πν2 c 3 hν e hν/kt 1 dν To sa wyrażenia na Gęstość energii w przedziale częstości dν, nie na natężenie światła, czy moc wypromieniowana

19 Prawo Stefana-Boltzmanna Gęstość energii w całym zakresie częstości (u): u = 0 ρ(ν)dν Gęstość energii zdolność emisyjna (ρ(ν) c 4 ) całkowanie moc promieniowania ciała doskonale czarnego na jednostkę powierzchni (prawo Stefana-Boltzmanna) P = σt 4 σ = 2π5 k 4 W 15c 2 = h3 m 2 K 4 (Wyprowadzenie na ćwiczeniach)

20 Prawo Wiena Długość fali, przy której gęstość energii osiaga maksimum w temp. T (prawo Wiena): λ max = b T b mk Dla Słońca T 5800 K λ max 500 nm (zielony) (Wyprowadzenie na ćwiczeniach)

Podobne dokumenty

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 1 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2014/15